技术领域
[0001] 本
发明涉及用于通过捕获离子迁移谱法确定经减小离子迁移率Ko的方法和装置。
背景技术
[0002] 离子迁移谱法是一种用于研究缓冲气体中分析物离子的迁移率的分析技术。离子迁移谱法的固有特征在于离子迁移率取决于离子的分子几何结构，使得通常有可能分辨并因此分离出通过质谱法无法分辨的异构体或构象异构体。
[0003] 经减小离子迁移率Ko与气体压
力P和气体
温度T下的离子迁移率K有关：
[0004]
[0005] 其中To和Po是标准温度(273K)和标准气体压力(1013hPa)。
[0006] 经减小离子迁移率Ko可以通过Mason-Schamp方程转换成动量转移截面Ω(碰撞截面，CCS)：
[0007]
[0008] 其中q是离子电荷，T是气体温度，no是缓冲气体的标准
密度，kB是玻尔兹曼常数，μ是离子和漂移气体分子的经减小
质量。经减小离子迁移率Ko和碰撞截面Ω是等效信息，经常互换使用。
[0009] 所测量的经减小离子迁移率(碰撞截面)的值的精确度在一系列应用中具有越来越重要的意义。例如，通过离子迁移谱法-质谱法(IMS-MS)测量的经减小离子迁移率能够阐明复杂和动态的
生物系统的结构。它还用于在代谢组学研究中识别
代谢物，在
蛋白质组研究中识别肽，具体地是通过结合IMS-MS与液相色谱法(LC)来进行。
[0010] 在捕获离子迁移谱法(TIMS)中，首先通过中和气流(counteracting gas flow)沿着不均匀DC
电场(场梯度)或通过具有不均匀轴向速度分布(气体速度梯度)的中和气流沿着均匀DC电场捕获离子。根据离子迁移率在空间中分离捕获离子，随后根据它们的迁移率通过调整气体速度和DC电场中的一个，随着时间推移对它们进行洗脱(释放)(Loboda的第6,630,662B1号美国
专利；Park的第7,838,826B1号美国专利)。TIMS分析仪通常在2到500Pa的低压范围中操作，并且使用RF电场来径向限制离子。关于TIMS的理论
基础，见Michelmann等人的文章“捕获离子迁移谱法的原理(Fundamentals of Trapped Ion Mobility Spectrometry)”(美国质谱学会杂志，2015年，26，14-24)。
[0011] 离子迁移率校准通常需要校准函数和具有已知的经减小离子迁移率的校准物。从Silveira等人的文章“肽的高
分辨率捕获离子迁移谱(High Resolution Trapped Ion Mobility Spectrometry of Peptides)”(分析化学，2014年，86，5624-5627)可以了解用于TIMS的经验校准函数：
[0012] Ko＝a+b/Vm
[0013] 其中a和b是校准常数，Vm大致是在离子检测器处测量离子物种时施加在TIMS分析仪上的
电压。电压Vm可以从在检测器处测量的离子物种的到达时间导出。校准常数通过拟合校准物的已知Ko和多个校准物的对应电压Vm来确定。
[0014] 从Bleiholder等人的文章“捕获离子迁移谱法(TIMS)的可转移且样本独立的校准程序(A Transferable,Sample-Independent Calibration Procedure for Trapped Ion Mobility Spectrometry(TIMS))”(分析化学，2018年，90，9040-9047)可以了解另一校准程序。
[0015] Bleiholder等人的校准策略在三个方面不同于典型方法。第一，校准函数是基于波
耳兹曼输运方程的解，但不受经验观察结果推动。第二，它们分离开取决于样本的量和取决于仪器的量。第三，它们针对仪器依赖性量执行泰勒展开(Taylor expansion)，并校准泰勒展开系数。结果就是所谓精确、稳固和可转移的捕获IMS仪器的校准程序。
发明内容
[0016] 在第一方面中，本发明提供一种用于确定离子物种的经减小迁移率Ko的方法。所述方法包括：
[0017] -向TIMS分析仪提供离子物种的离子；
[0018] -通过设置TIMS分析仪的DC电场和气流在TIMS分析仪中捕获离子；
[0019] -及时调整DC电场的强度和/或气流的速度以释放离子物种的所捕获离子；
[0020] -在离子检测器处测量所释放离子的到达时间tm；
[0021] -确定TIMS分析仪的仪器参数pi；以及
[0022] -通过系统函数的倒数来确定经减小迁移率Ko：Ko＝SYS-1(tm,pi)。
[0023] TIMS分析仪可包括具有场梯度的DC电场和与DC电场的力相反的气流，或者具有速度梯度的气流和与气流的
牵引力相反的DC电场。
[0024] 离子检测器处的离子物种的到达时间tm取决于仪器参数和要确定的经减小迁移率：tm＝SYS(Ko,pi)。
[0025] 优选地，TIMS分析仪的DC电场包括场梯度和平稳段，所述平稳段位于场梯度下游且具有基本上恒定的DC电场，且气流在平稳段的开始处具有基本上恒定的速度。更优选地，向下朝向离子检测器引导气流，且DC电场包括与气流的牵引力相反的上升DC电场梯度。
[0026] 系统函数SYS的倒数可近似为：
[0027]
[0028] 其中tm是在离子检测器处测量的到达时间，β是扫描速度，vg是平稳段处的气体速度，Lp是平稳段的有效长度，Eo是在扫描开始时的平稳段的电场强度，tt是平稳段的末尾和离子检测器之间的转移时间(如果检测器正好位于平稳段的末尾，那么它可以是零)，P是平稳段处的气体压力，且T是平稳段处的气体温度。平稳段的DC电场强度Ep(t)优选地随时间推移以扫描速度β线性降低：Ep(t)＝E0-βt。
[0029] 在第二方面中，本发明提供一种用于确定离子物种的经减小迁移率Ko的方法。所述方法包括：
[0030] (a1)向TIMS分析仪提供离子物种的离子；
[0031] (a2)通过设置TIMS分析仪的DC电场和气流在TIMS分析仪中捕获离子；
[0032] (a3)及时调整DC电场的强度和/或气流的速度以释放离子物种的所捕获离子；
[0033] (a4)在离子检测器处测量所释放离子的到达时间tm；
[0034] (b)针对仪器参数x的至少两个不同值重复步骤(a1)到(a4)，以获得所测量数据(tm,x)i＝1……n，其中n是测量次数；以及
[0035] (c)通过以下中的一个确定经减小迁移率Ko：
[0036] -通过使经减小迁移率Ko变化来拟合系统函数tm＝SYS(x,pi,Ko)与所测量数据(tm,x)i＝1……n；以及
[0037] -变换所测量数据(tm,x)i＝1……n，通过拟合多顶式函数与变换后的数据i＝1……n确定多项式系数cj，并使用多项式系数cj和变换后的系统函数SYS的倒数系数函数Cj(Ko,pi)确定经减小迁移率Ko：
[0038]
[0039] Ko＝Cj-1(pi，cj)
[0040] 其中pi是在重复测量中不发生变化的预定仪器参数。
[0041] TIMS分析仪可包括具有场梯度的DC电场和与DC电场的力相反的气流，或者具有速度梯度的气流和与气流的牵引力相反的DC电场。
[0042] 优选地，TIMS分析仪的DC电场包括场梯度和平稳段，所述平稳段位于场梯度下游且具有基本上恒定的DC电场，且气流在平稳段的开始处具有基本上恒定的速度。更优选地，向下朝向离子检测器引导气流，且DC电场包括与气流的牵引力相反的上升DC电场梯度。
[0043] 系统函数tm＝SYS(x,pi,Ko)可近似为：
[0044] 其中
[0045] 其中tm是离子检测器处的到达时间，β是扫描速度，vg是平稳段处的气体速度，Lp是平稳段的有效长度，Eo是在扫描开始时的平稳段的电场强度，tt是平稳段的末尾和离子检测器之间的转移时间，K是迁移率，Ko是经减小迁移率，P是平稳段处的气体压力，且T是平稳段处的气体温度。平稳段的DC电场强度Ep(t)随时间推移以扫描速度β线性降低：Ep(t)＝E0-βt。变化仪器参数优选地是平稳段的长度LP、扫描速度β和平稳段处的气体速度vg中的一个。
[0046] 每一个仪器参数pi可以直接测量和/或根据参数函数pi＝Pi(qi)确定，其中qi(i＝1……n，n≥1)是至少一个所测量仪器参数。仪器参数qi可以是仪器参数pi中的一个或另一仪器参数。优选地，测量TIMS分析仪的入口处的气体压力Pin和/或出口处的气体压力Pout，并依据Pin、Pout或这两者通过参数函数确定仪器参数中的至少一个。更优选地，平稳段vg处的气体速度和平稳段处的气体压力p通过取决于Pin和Pout的参数函数确定。平稳段处的气体温度T优选地通过一参数函数确定，所述参数函数取决于在TIMS分析仪的入口处测量的气体温度Tin和气体压力Pin，并且任选地，还取决于TIMS分析仪的出口处的气体压力Pout。
[0047] 在本发明的所有方面中，离子可以使用以下中的一种来产生：喷雾电离(例如，电喷雾ESI或热喷雾)、
解吸电离(例如，基质辅助激光/解吸电离(MALDI)或次级电离)、化学电离(API)、光电离(PI)、
电子轰击电离(EI)和气体放电电离。电离可以在
大气压或高于大气压下或在
真空(低真空、中真空或高真空)下进行。
[0048] 在本发明的所有方面中，离子可以通过法拉第检测器、次级电子倍增管(例如，
微通道板)和图像
电流检测器中的一个来检测。此外，离子检测器优选地是质量分析仪，所述质量分析仪可以是例如飞行时间质量分析仪(具体地说，具有
正交离子注入)、静电
离子阱、RF离子阱、
离子回旋共振分析仪和四极滤质器中的一个。
附图说明
[0049] 通过参考以下各图可以更好地理解本发明。附图中的元件未必按比例绘制，而是重点在于说明本发明的原理(通常示意性地说明)。
[0050] 图1A示出本领域中已知的捕获离子迁移谱仪(100)，其具有上游耦合到离子源(101)且下游耦合到离子检测器(103)的TIMS分析仪(102)。
[0051] 图1B示出本领域中已知的质谱系统(200)，其具有上游耦合到离子源(201)且下游耦合到质量分析仪(202)的TIMS分析仪(202)。
[0052] 图2示出TIMS分析仪(102、202)及其已知操作。
[0053] 图3、4和5示出根据本发明的示例性方法的
流程图。
[0054] 图6示出根据本发明的一个方法的实验结果。
[0055] 图7A示出
修改后的TIMS分析仪(102A、202A)，其包括用于测量TIMS分析仪(102A、202A)的入口处的气体压力Pin和出口处的气体压力Pout的压力计(6、7)。
[0056] 图7B示出修改后的TIMS分析仪(102B、202B)，其包括用于测量TIMS分析仪(102B、202B)的平稳段处的气体速度vg的
传感器(8)、用于测量平稳段处的气体压力PTIMS的传感器(9a)和用于测量平稳段处的气体温度TTIMS的传感器(9b)。
具体实施方式
[0057] 虽然已经参考本发明的数个不同
实施例示出和描述了本发明，但是本领域的技术人员将认识到，可以在其中进行多种形式和细节的变化而不脱离由所附
权利要求书限定的本发明的范围。
[0058] 图1A示出本领域中已知的捕获离子迁移谱仪(100)，其具有耦合到离子源(101)和离子检测器(103)的TIMS分析仪(102)。根据本发明的方法可以对利用捕获离子迁移谱仪(100)获取的迁移谱执行。
[0059] 例如，离子可以使用以下中的一种来产生：喷雾电离(例如，电喷雾ESI或热喷雾)、解吸电离(例如，基质辅助激光/解吸电离(MALDI)或次级电离)、化学电离(API)、光电离(PI)、电子轰击电离(EI)和气体放电电离。电离可以在大气压或高于大气压下或在真空(低真空、中真空或高真空)下进行。
[0060] 例如，离子可以通过法拉第检测器、次级电子倍增管(例如，微通道板)和图像电流检测器中的一个来检测。
[0061] 图1B示出本领域中已知的质谱系统(200)，其具有耦合到离子源(201)和质量分析仪(203)的TIMS分析仪(202)。
[0062] 例如，离子可以使用以下中的一种来产生：喷雾电离(例如，电喷雾ESI或热喷雾)、解吸电离(例如，基质辅助激光/解吸电离(MALDI)或次级电离)、化学电离(API)、光电离(PI)、电子轰击电离(EI)和气体放电电离。电离可以在大气压或高于大气压下或在真空(低真空、中真空或高真空)下进行。
[0063] 例如，质量分析仪可以是飞行时间质量分析仪(例如，具有正交离子注入)、静电离子阱、RF离子阱、离子回旋共振分析仪和四极滤质器中的一个。质谱系统(200)可另外包括第二TIMS分析仪、滤质器(例如，四极滤质器)和碎裂单元(fragmentation cel l)中的一个。滤质器以及碎裂单元可以位于TIMS分析仪(202)和质量分析仪(203)之间或离子源(201)和TIMS分析仪(202)之间。
[0064] 图2示出TIMS分析仪(102、202)及TIMS分析仪(102、202)的已知操作。
[0065] TIMS分析仪(102、202)在大气压下耦合到电喷雾离子源(未示出)。通过从离子源被气体夹带，离子通过转移毛细管(1)被引入到TIMS分析仪(102、202)中。
[0066] 偏转板(2)驱动离子进入TIMS分析仪(102、202)的入口RF漏斗(10)。入口RF漏斗(10)引导离子进入包括有孔
电极堆叠的TIMS隧道(11)。出口RF漏斗(12)位于TIMS隧道(11)下游，以引导离子通过出口(5)朝向离子检测器或质量分析仪(均未示出)。
[0067] TIMS隧道(11)的入口和出口处的压力受端口(3)和(4)处的
泵速控制。TIMS隧道(11)的入口和出口之间的压差在TIMS隧道(11)内部产生气流(14)。
[0068] TIMS隧道(11)的电极通常分段成四分体，使得能够产生将离子限制在TIMS隧道(11)的轴线附近的径向四极RF电场。高阶RF场可由具有超过四个区段(例如，六个或八个区段)的电极产生。
[0069] TIMS隧道(11)的电极由在管周围封闭电极之间的间隙的电绝缘材料间隔开，从而使得气流(14)明确地限定在TIMS隧道(11)内部。通过向
电隔离电极施加DC电位而在TIMS漏斗(11)内部产生DC电场。DC电场形成DC电场屏障，且在电极(20)和电极(21)之间包括上升DC电场梯度(斜坡)，在电极(21)和(22)之间包括平稳段。
[0070] 借助DC电场和气流引导离子通过入口RF漏斗(10)朝向TIMS隧道(11)的入口，然后借助气流(14)抵靠DC电场屏障的斜坡推动离子。
[0071] 在图2的中心和底部图区中示出了TIMS分析仪(102、202)的典型操作的两个阶段A和B。TIMS隧道(11)内部的气流(14)由箭头表示，并抵靠DC电场屏障E(z)的斜坡驱动不同离子物种的离子。不同离子物种由不同大小的圆点表示。气流箭头的长度对应于气流(14)在TIMS隧道(11)的轴线(z轴)上的最大速度。
[0072] 在阶段A(“积聚阶段”)中，即在中心图区中，通过气流(14)抵靠DC电场屏障E(z)的斜坡推动离子，离子停留在那儿，因为它们无法越过DC电场屏障E(z)。沿着电极(20)和(21)之间的DC电场E(z)的斜坡，离子积聚在迁移率依赖性
位置处。低迁移率的离子(主要是具有较大碰撞截面的重离子)聚集在斜坡上端附近的高场中，而高迁移率的离子聚集在斜坡底部附近的低场中，如由代表不同离子物种的离子的大小(或确切地说，CCS)的圆点的大小所指示。
[0073] 在阶段B(“扫描阶段”)中，即在底部图区中，施加到TIMS隧道(11)的电极的DC电压稳定降低。迁移率增大的离子相继朝向离子检测器释放，具体地说，释放到质谱仪。在开始扫描阶段之后离子物种的到达时间tm是离子物种的离子迁移率的量度。
[0074] 图3、4和5示出根据本发明的方法的流程图。
[0075] 在优选实施例中，TIMS分析仪(102、202)的DC电场屏障Ep(t)的高度随时间推移线性降低：Ep(t)＝E0-βt，其中Eo是扫描开始时的平稳段处的DC电场Ep(t＝0)，且β是扫描速度。
[0076] TIMS分析仪(102、202)的仪器参数pi包括扫描速度β、平稳段处的气体速度vg、平稳段Lp的有效长度、扫描开始时的平稳段的电场强度Eo、平稳段的末尾和下游离子检测器之间的转移时间tt、平稳段处的气体压力PTIMS和平稳段处的气体温度TTIMS。
[0077] 那么，TIMS分析仪(102、202)的系统函数tm＝SYS(Ko,pi)可近似如下：
[0078] 其中
[0079] 其中tm是在离子检测器处测量的离子物种的到达时间，K是在气体压力PTIMS和气体温度TTIMS下的迁移率，Ko是经减小迁移率。
[0080] 系统函数tm＝SYS(Ko,pi)的倒数通过下式给出：
[0081]
[0082] 现在参考图3，经减小迁移率Ko直接根据所测量的离子物种的到达时间tm和仪器参数pi确定，即在最基本的实施例中，仅需要离子物种的到达时间的单个测量结果。当然，为了达到更高的统计
置信度，可以进行多个测量。
[0083] 扫描速度β、平稳段的有效长度Lp和平稳段的电场强度Eo是与DC电场屏障有关的仪器参数，并且可以直接从TIMS隧道(11)的电极几何结构和向TIMS隧道(11)的电极供应DC电位的DC发
电机的设置导出。
[0084] 平稳段处的气体速度vg、气体压力PTIMS和气体温度TTIMS是与气流(14)有关的仪器参数。这些仪器参数可以通过参数函数测量和/或确定，其中所述参数函数可取决于一个或多个其它所测量仪器参数。
[0085] 图7A示出修改后的TIMS分析仪(102A、202A)，其包括用于测量TIMS隧道(11)的入口处的气体压力Pin和出口处的气体压力Pout的压力计(6、7)。例如，气流(14)的仪器参数可通过参数函数确定，所述参数函数取决于TIMS隧道(11)的入口和出口处的气体压力，且取决于TIMS隧道(11)的入口处的气体温度TTIMS：
[0086] vg＝Pvg(Pin,Pout)，PTIMS＝PPTIMS(Pin,Pout)，且TTIMS＝PTTIMS(Tin,Pin,Pout)[0087] 有可能气流(14)的仪器参数可以通过参数函数足够精确地确定，所述参数函数仅取决于Pin或Pout。在此情况下，需要测量这些仪器参数中的一个。
[0088] 图7B示出修改后的TIMS分析仪(102B、202B)，其包括用于测量TIMS分析仪(102B、202B)的平稳段处的气体速度vg的传感器(8)、用于测量平稳段处的气体压力PTIMS的传感器(9a)和用于测量平稳段处的气体温度TTIMS的传感器(9b)。
[0089] 速度传感器(8)优选地是热线
风速计。热线的形状可类似于针对TIMS隧道(11)的轴线对称
定位的一段圆圈。直径优选地小于100μm。热线的厚度和位置选择成使得线基本上既不妨碍气流(14)，也不与被TIMS隧道(11)内部产生的RF电场限制在轴线附近的离子相互作用。
[0090]
压力传感器(9a)和温度传感器(9b)优选地是光纤传感器，其可以放置在TIMS隧道(11)的电极之间，并测量平稳段处的气体的局部压力和温度，而不干扰气流(14)和DC电场屏障。气体压力和温度优选地在光纤的前端处测量。
[0091] 另外，气流(14)的仪器参数的真子集有可能直接测量，而气流(14)的其余仪器参数通过取决于至少一个仪器参数的参数函数确定，所述至少一个仪器参数如TIMS隧道(11)的入口处的气体压力Pin和出口处的气体压力Pout。
[0092] 现在参考图5，那么，TIMS分析仪(102、202)的系统函数tm＝SYS(Ko,pi)可近似如下：
[0093] 其中
[0094] 到达时间tm可以针对扫描速度β的不同值进行测量。通过1/β＝x2变换系统函数tm(β)得到：
[0095]
[0096] 通过二阶多项式拟合所测量数据(tm,x)：tm(x)＝ax2+bx+c。二阶多项式拟合需要至少三个不同测量结果。测量到达时间tm的二阶拟合的实例在图6中示出。离子迁移率K可根据仪器参数Lp、vg、Eo和多项式系数a和b确定：
[0097]
[0098]
[0099] 到达时间tm可以针对气体速度vg的不同值进行测量。通过vg＝x变换系统函数tm(vg)得到：
[0100]
[0101] 通过一阶多项式拟合所测量数据(tm,x)：tm(x)＝bx+c。二阶多项式拟合需要至少两个不同测量结果。离子迁移率K可根据仪器参数β和多项式系数b确定：
[0102]
[0103] 到达时间tm可以针对平稳段的长度Lp的不同值进行测量，举例来说，通过简化平稳段的末尾处的邻近电极板的可变数目。通过 变换系统函数tm(Lp)得到：
[0104]
[0105] 通过一阶多项式拟合所测量数据(tm,x)：tm(x)＝bx+c。二阶多项式拟合需要至少两个不同测量结果。离子迁移率K可根据仪器参数β和多项式系数b确定：
[0106]
[0107] 可以根据离子迁移率K和TIMS分析仪的平稳段处的气体压力PTIMS和气体温度TTIMS确定经减小迁移率Ko，并由此确定碰撞截面：
[0108]
[0109] 类似于上述实施例，仪器参数可以通过参数函数测量和/或确定，其中所述参数函数取决于一个或多个其它所测量仪器参数。
[0110] 平稳段处的气体速度vg、气体压力PTIMS和气体温度TTIMS是与气流有关的仪器参数。这些仪器参数可以直接测量和/或通过参数函数确定，其中所述参数函数取决于一个或多个所测量仪器参数，例如，上文参考图7A和7B所描述的仪器参数。
[0111] 扫描速度β、平稳段的长度Lp和平稳段的电场强度Eo是与DC电场屏障有关的仪器参数，并且可以直接从TIMS隧道(11)的电极几何结构和向TIMS隧道(11)的电极供应DC电位的DC发电机的设置导出。
[0112] 上文已经参考本发明的数个不同实施例示出和描述了本发明。然而，本领域技术人员应理解，在不脱离本发明的范围的情况下，如果可实行的话，本发明的各种方面或细节可以改变，或者不同实施例的各种方面或细节可以任意组合。一般来说，前述描述仅仅是出于说明的目的，而并非出于限制本发明的目的，视具体情况，本发明仅仅由包含任何等效实施方案的所附权利要求书限定。
